基于LCL濾波的光伏逆變器網(wǎng)側(cè)電流單環(huán)控制

摘要：在光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)中，LCL濾波器相比單L濾波器具有更優(yōu)的濾波性能，但其引入了諧振點，降低了系統(tǒng)穩(wěn)定性。在不增加額外無源阻尼和傳感器的基礎(chǔ)上，提出采用網(wǎng)側(cè)電流單環(huán)控制策略，利用數(shù)字控制過程中的延遲環(huán)節(jié)實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定控制。給出延遲環(huán)節(jié)的設(shè)計方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)良好的并網(wǎng)諧波特性和動態(tài)特性，最后通過實驗驗證了控制策略的有效性。
關(guān)鍵詞：逆變器；光伏并網(wǎng)；濾波器；單環(huán)控制

1 引言
光伏發(fā)電技術(shù)近年來發(fā)展十分迅速，其中并網(wǎng)逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，逆變器通過L或LCL濾波器與電網(wǎng)連接。LCL濾波器由于具有更佳的濾波性能，逐步代替單L濾波器在工業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。然而LCL濾波器由于存在諧振峰，給系統(tǒng)帶來不穩(wěn)定因素。目前有許多方法來解決此問題，可分為無源阻尼、有源阻尼和無阻尼方案三大類。
無源阻尼方案通過在LCL濾波器上加入無源電阻，實現(xiàn)對諧振峰的阻尼作用。然而無源阻尼帶來了額外損耗；有源阻尼方案通過控制實現(xiàn)阻尼作用，避免了引入額外損耗。然而有源阻尼方案通常需使用多個系統(tǒng)狀態(tài)變量來實現(xiàn)，需要額外的傳感器，即使采用觀測估算的方法來間接獲得其他狀態(tài)變量，也對系統(tǒng)參數(shù)敏感性較強(qiáng)。文獻(xiàn)考慮數(shù)字控制本身存在延遲，用網(wǎng)側(cè)電流單環(huán)控制實現(xiàn)了系統(tǒng)的穩(wěn)定，是一種無阻尼方案。該方案無需額外的無源器件和傳感器，控制簡單，然而該文獻(xiàn)沒有分析延遲環(huán)節(jié)如何實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定，也沒有給出延遲環(huán)節(jié)的設(shè)計方法。這里詳細(xì)分析了延遲環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，確定保證系統(tǒng)穩(wěn)定的延遲時間的范圍。并分析延遲環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性的影響，給出一種設(shè)計方法，實現(xiàn)了系統(tǒng)良好的動穩(wěn)態(tài)特性。

2 系統(tǒng)描述
圖1示出單相光伏并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)參數(shù)：LCL濾波器中，Linv=0．6 mH，Cf=5μF，Lg=0．6 mH；電網(wǎng)電壓有效值Ug=220 V，f0=50 Hz；直流電壓Udc=400 V；控制頻率fc=16 kHz；控制參數(shù)Kp=10．56，Ki=18700。LCL濾波器諧振頻率4 110 Hz，前后級等效串聯(lián)電阻約為0．1 Ω．采用雙極性SPWM，控制和開關(guān)頻率均為16 kHz。控制器采用傳統(tǒng)PI控制，參數(shù)設(shè)計方法采用對稱最佳法進(jìn)行設(shè)計。數(shù)字控制中的延遲環(huán)節(jié)用z-k來表示k拍的延遲，主要是由A／D轉(zhuǎn)換時間，控制延遲和PWM波生成過程的延時構(gòu)成。其中控制延遲可進(jìn)行靈活的設(shè)計來實現(xiàn)對延遲時間的調(diào)節(jié)。

3 延遲環(huán)節(jié)的影響分析和設(shè)計
3．1 穩(wěn)定性分析
LCL濾波器由于存在諧振峰會帶來系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題。圖2a中實線表示不考慮延遲影響時系統(tǒng)的開環(huán)波特圖?？梢?，在諧振峰處，系統(tǒng)增益遠(yuǎn)大于零，且相角正好穿越-180°。則在該頻率點系統(tǒng)存在一個正反饋效應(yīng)，諧振點處信號會被無限放大而導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。虛線表示延遲時間為1拍的系統(tǒng)波特圖，可見延遲環(huán)節(jié)不會對幅值增益帶來任何影響，故不會對諧振峰起到阻尼作用，然而會對相角特性產(chǎn)生影響。由圖2a可見，延遲1拍可改變原開環(huán)系統(tǒng)-180°的穿越點，使該點前移到幅值增益為負(fù)的區(qū)域，從而破壞原系統(tǒng)的正反饋效應(yīng)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。對于任意的LCL并網(wǎng)逆變系統(tǒng)而言，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定，需設(shè)計延遲環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)-180°穿越點發(fā)生在圖2a所示的ωcut和ω1之間，且在ω2點系統(tǒng)相角大于-540°。定義3個相角裕度PMcut，PM1和PM2：